一种全集成型CMOS LDO线性稳压器设计

一种全集成型CMOSLDO线性稳压器设计胡爱飞;王宏伟;潘理平【摘要】Afullyintegratedlowdropoutregulator(LDO)withlowpowerconsumptionwasdesignedonthebasisof0.25pmCMOSprocess.AzeroisintroducedattheoutputendofLDObytheRCfeedbacknetworktocanceloutoneoftheoutputpoles.Therefore,targecapacitorsorcomplicatecompensationcircuitsareavoided,andthechipareaisreduced.Thismethodissimple,lesschipareaoccupation,andcapacitorless.Thesimulationresultsshowthatwithoutputcurrentfrom1mAto100mA,thephasemarginisabove40°,andtheovershootoftransientresponseislessthan20mVvariation.Thepowersupplyrejectionratio(PSRR)isabout76dB.Thesumofquiescentcurrent(withoutload)ofLDOandbandgapvoltagesourceis390pA.%设计了一种基于0.25pmCMOS工艺的低功耗片内全集成型LDO线性稳压电路.电路采用由电阻电容反馈网络在LDO输出端引入零点，补偿误差放大器输出极点的方法，避免了为补偿LDO输出极点而需要大电容或复杂补偿电路的要求.该方法电路结构简单,芯片占用面积小,无需片外电容.Spectre仿真结果表明:工作电压为2.5V,电路在较宽的频率范围内，电源抑制比约为78dB,负载电流由1mA到满载100mA变化时，相位裕度大于40°,LDO和带隙电压源的总静态电流为390pA.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷)，期】2011(034)012【总页数】3页(P180-182)【关键词】线性稳压电路;频率补偿;频率稳定性;瞬态响应【作者】胡爱飞;王宏伟;潘理平【作者单位】南京机电职业技术学院，江苏南京211135;中航南京机电液压工程研究中心，江苏南京211106;南京机电职业技术学院，江苏南京211135【正文语种】中文【中图分类】TN919-340引言随着便携式电子设备的广泛使用，系统集成度越来越高。对于数/模混合的片上系统中，数字电路对模拟电路的干扰加大，因此模拟电路与数字电路需要施加独立电源，以减小数/模混合带来的相互干扰以及动态调整功耗［1］。全集成型LD。线性稳压器可以用来为系统中各子模块单独供电，具有抑制电源噪声，减小干扰，同时消除键合线电感引入的瞬态脉冲的优点，此外还可以减小片外器件和芯片引脚，所以全集成型LDO线性稳压器成为片上系统(SoC)型集成电路中不可或缺的模块。由于LDO的负载电流变化大，且调整管尺寸较大，为满足LDO的稳定性要求，必须对LDO进行频率补偿［2］。传统方法是利用负载电容的ESR进行补偿，但是，全集成型LDO不允许使用片外电容，因此设计一个不需片外电容，稳定，响应速度快的LDO是面临的主要挑战。1LDO原理与频率补偿LDO线性稳压器的传统电路结构如图1所示［3］，由误差放大器，缓冲器，调整管M0，分压电阻RF1，RF2，以及片外滤波电容C0和其寄生的等效串联电阻RESR组成。片外电容C0和RESR组成的零点用来抵消LDO中第2个极点，从而达到环路稳定。当没有片外电容补偿时，由于输出负载电流变化大，LDO的输出极点变化大，环路稳定性设计变得困难。Leung提出了衰减系数控制频率补偿法(DampingFactorControlCompensation，DFC)和引入零点补偿，在稳定性，响应时间方面具有较好的特性［4］。Milliken采用在调整管的输入端和输出端之间加入一个微分器，将调整管输入节点和输出节点的2个极点分离，从而在只使用片内电容时依然保持稳定［5］。Kwok使用动态密勒电容补偿技术，通过串联一个在线性区工作的PMOS管作为动态可调电阻，在误差放大器的输出端引入一个动态零点抵消LDO的输出极点，实现系统稳定［6-7］。本文中则采用在负载端引入零点，补偿误差放大器输出极点的方法，避免了为补偿LDO输出极点，而需要大电容和动态调整电阻的要求，且减小了需要的补偿电容值，降低了芯片面积［8］。2电路设计图2为所设计的LDO线性稳压器电路,误差放大器为折叠式共源共栅结构，由Ml~M14组成，M0为输出调整管，反馈网络由RF1,RF2和CF1组成，电容CC为误差放大器的补偿电容。图1典型LDO线性稳压器结构框图图2LDO中电阻电容反馈网络图2中电阻电容反馈网络的传输函数为：(1)(2)⑶这种反馈网络产生了一个零点zf和一个较高的极点pf,设置极点pf大于单位增益频率，即RF2//RF1>1/(CF1・pf)。不施加片外电容时，LDO的传输函数为：⑷⑸p2=1/Caroa(6)⑺式中：Ca，roa为分别误差放大器输出a端的寄生电容和输出电阻；gp0，rp0分别为调整管M0的跨导和小信号输出电阻；Aamp为误差放大器的增益。由式增益L0随着负载电流增大而降低，而极点p1随负载电流增大而升高，极点p2基本保持不变，对于不施加片外电容，其等效串联电阻RESR所提供的零点不存在，在输出负载电流IOUT=0时，调整管输出电阻rp0最大，gmp0最小，故小负载电流时，环路稳定性变差。为满足LDO稳定性要求，IOUT必须有一个最小输出电流，以保证M0的输出极点p1不会太低。为保证极点p2和零点zf相近而抵消，须适当减小调整管M0尺寸。在本应用中，LDO输入电压为2.5V，用于为1.2V核心电路供电，调整管M0的VDS=1.3V，所以M0可以取较小尺寸。图3本文设计的LDO电路本设计采用了一阶温度补偿带隙基准电压源，图4所示为带隙基准电压源的核心电路，这里采用了典型的一阶温度补偿电流模结构［9-10］。其中M1，M2和M3宽长比相同，R1=R2，A0为误差放大器，误差放大器的同相端接Va端，反相端接Vb端。为了保证电路的稳定性，必须保证电路中由M1，Q1和R1组成的正反馈网络的反馈系数小于M2,R2,Q0和R0组成的负反馈网络的反馈系数，即要求：(8)运算放大器A0使Va，Vb两点电压相等，忽略电阻的温度系数，电流I0为PTAT电流，11为CTAT电流。通过选择dVBE/dT=-R1/R0・lnN-V/T，可以得到-40~+85°C范围内温度系数小于4.76ppm/°C。3仿真验证该电路采用SMIC0.25pmCMOS工艺实现，输入电源电压为2.5V，输出电压为1.2V,作为芯片模拟部分的电源。LDO的环路稳定性采用Spectrestb仿真，结果如图5所示，负载电流从1mA变化到100mA，整个系统相位裕度均在40°以上，系统稳定。图6为负载电流从1mA到100mA转换时，输出电压和输出电流瞬态响应曲线。从图中可以看出，瞬态响应过冲小于20mV，无振铃现象产生。图6为仿真的电源电压抑制比(PSRR)。低频时PSRR好于75dB。整个LDO包括基准电压源共消耗静态电流390pA。图4本文采用的一阶温度补偿带隙基准电压源电路图5LDO环路的幅频和相频特性曲线图6LDO负载响应变化仿真图4结语本文设计了一种全集成型LDO线性稳压器，采用一种简单的频率补偿电路，通过输出反馈电路引入零点，抵消7LDO产生第二个极点，获得较好的稳定性。此方法结构简单、不损失环路开环增益、带宽高，而且所需要的补偿电容小，节省芯片面积和输出引脚。图7LDO电源抑制比仿真图参考文献HOONSK,CHENS,MALOBERTIF,etal.Alownoise,highpowersupplyrejectionlowdropoutregulatorforwirelesssystemonchipapplications[C]//ProceedingsofIEEECICC.[S.l.]:CICC,2005:759-762.刍S志革，邹雪城，雷鳢铭，等.无电容型LDO的研究现状与进展[J].微电子学,2009,39(1):241-246.RINCON-MORAGA,ALLENPE.Alow-voltage,lowquiescentcurrent,lowdrop-outregulator[J].IEEEJ.ofSolid-StateCircuits,1998,33(1):36-44.LEUNGKaN,MOKPKT.Acapacitor-freeCMOSlow-dropoutregulatorwithdamping-factor-controlfrequencycompensation[J].IEEEJ.ofSolidStateCircuit,2003,38(10):1691-1702.MILLIKENRJ,MART?NEZJS,SINENCIOES.Fullon-chipCMOSlow-dropoutvoltageregulator[J].IEEETransactionsonCircuitsandSystemsI:RegularPapers,2007,54(9):1879-1890.KWOKKC,MOKPKT.Pole-zerotrackingfrequeneycompensationforlowdropoutregulator[C]//IEEEInt.Symp.onCirc.andSyst.Arizona.USA:IEEE,2002:735-738.毕查德•拉扎维•模拟CMOS集成电路设计[M].陈贵灿，译.西安：西安交通大学出版社，2005.LEUNGKN,MOKPKT,LAUSK.Alow-voltageCMOSlow-dropoutregulatorwithenhancedloopresponse[C]//ProceedingsofISCAS.[S.l.]:ISCAS,2004:385-388.BANBAH,SHIGAH,UMEZAWAA,etal.ACMOSbandgapreference